Svamp från jorden chockar forskare: Dess proteiner får vatten att frysa direkt

En oansenlig jordsvamp väcker uppseende: Dess protein får vatten nära fryspunkten att omedelbart bilda kristaller – med långtgående konsekvenser för medicin, väderteknik och livsmedel.

Det låter som trolldom, men är exakt biokemi: En utbredd svamp från jordmånen besitter ett speciellt protein som omvandlar vatten till is redan vid minimala minusgrader. Forskare ser häri en potentiell game changer för konstgjort regn, förvaring av celler och till och med kvaliteten på frysta livsmedel.

Ett svampprotein som får vatten att frysa

Ett internationellt forskarteam under ledning av Boris Vinatzer och Xiaofeng Wang från det amerikanska universitetet Virginia Tech har identifierat ett protein från svampar tillhörande familjen Mortierellaceae. Dessa svampar lever i jordmåner världen över och har hittills betraktats som ointressanta – fram till nu.

Proteinet fungerar som en så kallad fryskärna. Det tvingar vatten att bilda iskristaller redan vid cirka minus två grader Celsius. Normalt kan mycket rent vatten förbli flytande långt under noll grader, så länge det inte finns partiklar eller ytor som kristaller kan binda sig till. Fackfolk kallar detta fenomen för ”underkylning”.

Svampproteinet erbjuder vattenmolekylerna en sorts perfekt ankringsplats där de kan ordna sig till en iskristall – och kringgår därmed underkylningen fullständigt.

Det är förvånande inte bara för lekmän. Hittills var sådana egenskaper primärt kända från vissa bakterier, exempelvis Pseudomonas syringae, som har studerats i laboratorier i åratal. Upptäckten att utbredda jordsvampar nu också kan producera frysaktiva proteiner så effektivt utvidgar bilden betydligt.

Vad gör detta protein så anmärkningsvärt

Grundidén – en biologisk utlösare för isbildning – är alltså inte ny. Den avgörande skillnaden ligger i svampproteinets beteende.

• Det är vattenlösligt och kan extraheras från svampen.
• Det fungerar oberoende av levande celler.
• Det kan i teorin tillsättas lösningar utan att medföra hela organismen.

Bakteriebaserade fryskärnor fungerar annorlunda: Här måste den kompletta levande cellen förbli intakt för att effekten ska verka. Det försvårar hanteringen, begränsar användningsområden och väcker säkerhetsfrågor.

Svampproteinet kan däremot behandlas som ett klassiskt laboratorieämne: man utvinner det, renar det och tillsätter det exakt där man önskar sätta igång isbildning. För tillämpningar utanför laboratoriet är detta en enorm fördel.

Spårletande i arvsanlagen: urgammal genstöld

För att förstå var denna ovanliga förmåga kommer ifrån analyserade forskarna arvsanlagen hos Mortierellaceae-svamparna närmare. Här dök ett fascinerande fynd upp: den ansvariga genen passar inte till de övriga svamptypiska generna.

Allt tyder på att en bakterieart för mycket lång tid sedan ”överlämnat” denna gen till svampen. En sådan process kallas horisontell genöverföring. Här hoppar en gen mellan arter utan att överföras via klassiskt arv från föräldrar till avkomma.

Svampen har inte själv ”uppfunnit” frysningsförmågan utan övertog den för hundratusentals till miljoner år sedan från bakterier – och har sedan optimerat den.

Sådana överföringar mellan vitt skilda organismegrupper anses vara sällsynta, men de förekommer. Hos svampar visar de hur flexibla deras genom kan vara. Den uppenbara fördelen – bättre överlevnadschanser i frostkänsliga omgivningar och förändrade samspel med växtrötter eller mikrober – har sannolikt sett till att den lånade genen inte gick förlorad igen.

Molnsådd: biologiskt verktyg för konstgjort regn

Ett av de mest spännande användningsområdena finns inom väderpåverkan. Vid så kallad molnsådd för flygplan eller raketer in särskilda partiklar i lämpliga moln. Dessa fungerar som kärnor varpå vattendroppar och slutligen iskristaller bildas, varifrån regn eller snö faller.

Idag används ofta silverjodid för detta ändamål. Ämnet verkar pålitligt men är omdiskuterat eftersom det kan anrikas i miljön. Svampproteinet skulle kunna utgöra ett långt mer miljövänligt alternativ:

• biologiskt ursprung
• inte metalliskt och potentiellt nedbrytbart
• exakt doserbart

Forskare överväger proteinlösningar som sprayas som en fin dimma in i moln, där proteinerna skulle fungera som nya, högeffektiva fryskärnor. Hur stor den långsiktiga nyttan faktiskt kan bli beror på om proteinet låter sig framställas i industriella mängder – och hur stabilt det förblir under verkliga väderförhållanden.

Skonsam frysning: nya möjligheter för medicin och bioteknik

Laboratorier och kliniker skulle kunna dra ännu mer direkt nytta av svampproteinet. Inom kryokonservering – alltså förvaring av celler, vävnader, spermier eller embryon vid låga temperaturer – är sättet isbildning sker på avgörande.

När vatten fryser mycket sent uppstår ofta stora, kantiga kristaller. De verkar som mikroskopiska knivar som förstör cellmembran och inre strukturer. Målet med många metoder är därför att skapa minst möjliga, enhetliga kristaller eller helt undvika iskristaller.

Sätts frysningsprocessen kontrollerat igång tidigare bildas typiskt finare kristaller – och levande strukturer överlever frosten betydligt bättre.

Här skulle svampproteinet kunna fungera som en exakt justeringsskruv. Även en liten mängd i kylvätskan kunde medföra att vattnet kristalliserar mycket snabbt strax under noll grader, innan extrem underkylning inträffar. Därmed kunde möjliga skador begränsas.

Konkreta användningsområden i laboratorium och klinik

• Förvaring av stamceller till framtida behandlingar
• Längre hållbarhet av blodkomponenter och immunceller
• Konservering av embryon på fertilitetskliniker
• Transport av känsliga vävnadsprover till diagnostik och forskning

Om effektivitet och säkerhet bekräftas skulle proteinet kunna ingå i standardprotokoll för biobanker och transplantationsmedicin.

Krämigare glass från frysen?

Livsmedelsindustrin följer också sådana upptäckter med stor uppmärksamhet. I frysta livsmedel bestämmer iskristallernas storlek i hög grad hur vi upplever konsistens och kvalitet. Fina kristaller ger krämig glass och mjuk textur. Stora klumpar däremot får matvaror att verka gryniga och gamla.

Under frysförvaring kan iskristaller växa och omorganisera sig, särskilt när temperaturen varierar. Ett tillsatsämne som styr kristallbildningen exakt skulle vara högst intressant. Tänkbara tillämpningar:

• Glass med stabil, slät textur
• Frysta grönsaker som är mindre grötiga efter upptining
• Bakverk som nästan inte förlorar kvalitet efter frysning

Om svampproteinet är lämpligt härtill beror på flera faktorer: smak, allergirisiko, värmestabilitet under bearbetning och naturligtvis kostnader. Forskningen befinner sig här fortfarande i den allra tidiga fasen.

Flaskhalsen: produktion i stor skala

En sak bromsar alla stora visioner: det finns ännu ingen billig metod för att framställa proteinet i enorma mängder. Extraktion från den naturliga svampen ger endast begränsade mängder, vilket långt ifrån är tillräckligt för industriella tillämpningar.

En bioteknologisk approach är därför långt mer sannolik. Den gen som kodar för proteinet skulle kunna sättas in i lättodlade mikroorganismer som jäst eller klassiska laboratoriebakterier. Dessa skulle sedan producera proteinet i fermenteringsanläggningar, på samma sätt som enzymer eller vacciner framställs idag.

Först när framställning, stabilitet och säkerhet är klarlagda närmar sig storskalig användning – exempelvis i molnsåddsprojekt eller i livsmedelsindustrin.

Vad begreppen fryskärna och underkylning egentligen betyder

För att förstå fenomenet är det nödvändigt att känna till två fysiska begrepp. Fryskärnor är ytor varpå vatten lättare kristalliserar. Det kan vara damm, sot, en bakterie eller just ett svampprotein. Utan sådana kärnor förblir vatten ofta flytande längre än väntat.

Underkylning beskriver exakt detta tillstånd: temperaturen ligger under noll grader men det bildas ännu ingen is. Först när en fryskärna kommer i spel, eller vattnet skakas kraftigt, tippar systemet. Då fryser det omedelbart. Många känner igen det från videor där till synes flytande flaskor i frysen genast blir till is vid en stöt.

Biologiska fryskärnor som det nyupptäckta svampproteinet utnyttjar dessa lagbundenheter. De sänker den energetiska barriären för bildningen av den första kristallen och styr därmed startskottet för frysningsprocessen.

Risker, öppna frågor och nästa steg

Trots all entusiasm: användningen av ett sådant protein i stor skala väcker viktiga frågor. Vad händer om stora mängder frigörs i miljön? Skulle de kunna störa naturliga nederbördsmönster om de anrikas på oväntade platser? Vilka konsekvenser skulle långvarig exponering ha för människor, djur eller växter?

Innan myndigheter ger grönt ljus för storskaliga väderprojekt eller nya livsmedelstillsatser kommer det att krävas omfattande tester. Parallellt fortsätter grundforskningen: Hur ser proteinets struktur exakt ut? Vilka delar är avgörande för isbildningen? Kan effekten förbättras eller försvagas genom riktade förändringar?

Upptäckten visar hur kraftfullt oansenliga jordorganismer kan gripa in i fysiska processer som länge betraktades som rent ”oorganiska”. En liten svamp från jordmånen kan visa sig vara en nyckelspelare inom medicin, jordbruk, teknik och klimatstyrning – förutsatt att forskning och utveckling bemästrar de nästa hindren.